Giáo trình quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi - Chương 6 doc

Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới 157 Chơng 6 Phơng pháp tới v công nghệ tới 6.1. Khái quát chung Trong tính toán chế độ tới chúng ta đã xác định đợc mức tới mỗi lần, thời gian tới, số lần tới và mức tới toàn vụ. Đó là 4 yếu tố cơ bản của chế độ tới để tạo điều kiện phát triển của cây trồng cho năng suất cao. Để thực hiện các yếu tố này một cách chính xác ta phải xét đến phơng pháp tới và công nghệ tới tức phơng thức đa nớc và phân phối nớc tới tận mặt ruộng cung cấp cho cây trồng. Phơng pháp và công nghệ tới cần phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Bảo đảm cung cấp nớc theo đúng chế độ tới quy định phân bố đồng đều trên diện tích tới. - Có hệ số sử dụng nớc cao. - Tạo điều kiện thực hiện và phối hợp tốt với các biện pháp canh tác khác. - Nâng cao năng suất tới trên đồng ruộng. - Có tác dụng cải tạo đất, không gây ra xói mòn, mặn hoá khu đất tới . - Công trình và các thiết bị tới phải đơn giản, dễ quản lý, diện tích chiếm đất ít, chi phí đầu t và quản lý khai thác thấp và không gây ảnh hởng xấu đến môi trờng. Dựa theo phơng thức dẫn nớc và phân phối nớc, ngời ta chia ra các phơng pháp tới sau: - Phơng pháp mặt đất: Tới ngập, tới dải và tới rãnh. - Phơng pháp tới phun ma. - Phơng pháp tới nhỏ giọt. - Phơng pháp tới ngầm. Sự lựa chọn các phơng pháp tới phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Loại cây trồng và kỹ thuật canh tác; - Địa hình, tính chất đất đai khu tới; - Khả năng cung cấp và chất lợng của nguồn nớc; - Trình độ cơ giới hoá và công nghiệp hoá; - Điều kiện cung cấp năng lợng, thiết bị tới; - Trình độ khoa học, kỹ thuật của cán bộ, công nhân quản lý tới. Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 158 6.2. Phơng pháp tới mặt đất Tới mặt đất là phơng pháp đa nớc tới từ các kênh dẫn đặt ở đầu ruộng vào trực tiếp mặt đất của cánh đồng rồi ngấm xuống biến thành nớc trong đất, nớc tới đợc phân phối đến cây trồng ở các dạng tới ngập, tới theo rãnh và tới theo dải. 6.2.1. Tới ngập cho lúa Là hình thức cung cấp để luôn luôn giữ một lớp nớc trên mặt ruộng theo yêu cầu sinh trởng phát triển của các cây trồng, chủ yếu là lúa nớc. 1. Ưu và nhợc điểm a) Ưu điểm - Điều hoà đợc nhiệt độ trong ruộng lúa; - Kìm hãm sự phát triển của cỏ dại; - Giảm đợc nồng độ các chất có hại. b) Nhợc điểm - Độ thoáng khí của đất kém; - Làm giảm độ phì của đất; - Dễ gây ra trôi đất; - Tốn nhiều nớc, gây trở ngại cho cơ giới hoá. 2. Yêu cầu của phơng pháp tới ngập - Duy trì lớp nớc thích hợp trên ruộng lúa theo công thức tới tăng sản; - Bảo đảm đợc các chất dinh dỡng và phân bón không bị rửa trôi, đất không bị xói mòn, nhiễm chua mặn; - Bảo đảm lớp nớc đợc phân bố đều, không tới tràn lan; - Hệ số sử dụng ruộng đất cao, tiết kiệm nớc tới, giá thành xây dựng và quản lý rẻ; - Mặt ruộng đợc tới phải tơng đối bằng phẳng để độ sâu mực nớc tơng đối đồng đều trên khắp thửa ruộng; - Phải bố trí đầy đủ các công trình điều tiết nớc mặt ruộng. 3. Hình thức bố trí và kích thớc ô ruộng tới ngập (hình 6.1) 4. Hình dạng và kích thớc a) Hình dạng: Ô ruộng có hình chữ nhật là tốt nhất b) Kích thớc: Thờng là 0,25 ữ 0,30 ha (100 ì 25 m hoặc 100 ì 30 m) - Chiều dài ô ruộng theo khoảng cách giữa kênh tới và kênh tiêu cố định cấp nhỏ nhất trên hệ thống. - Chiều rộng phụ thuộc điều kiện địa hình và điều kiện cơ giới hoá. Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới 159 Hình 6.1: Hình thức bố trí thửa ruộng a) Bố trí thông nhau; b) Bố trí cửa độc lập Hình 6.2: Mặt cắt A-A - Độ dốc i thờng bằng 0,001 ữ 0,0005. Chiều rộng a đợc xác định theo: = 21 0 hh 0,5h a ii (6.1) Lu lợng cần lấy vào ô ruộng để tạo thành lớp nớc mặt ruộng: ( ) t 0 QhK t =+t, (m 3 /h) (6.2) trong đó: - diện tích ô ruộng (m 2 ); t K - tốc độ ngấm bình quân (m/h); t - thời gian lấy nớc (h). 6.2.2. Tới theo dải 1. Mục đích và điều kiện áp dụng Tới dải là hình thức phân phối nớc cho cây trồng theo dòng chảy tràn trên dải tới. Mặt ruộng đợc chia thành từng ô nhỏ (gọi là dải ruộng) đợc ngăn cách bởi các bờ dải, Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 160 nớc chảy tràn trên mặt ruộng từ đầu dải đến cuối dải. Quá trình chảy, nớc sẽ ngấm xuống tầng rễ cây và cung cấp nớc cho cây trồng. Tới dải đợc áp dụng đối với cây trồng không theo hàng nh cỏ, lúa mì, mạ 2. Sơ đồ cấu tạo Hình 6.3: Sơ đồ cấu tạo 3. Phơng pháp tính toán các kỹ thuật tới dải theo dòng ổn định [1] Mục đích tính toán là xác định các thông số của kỹ thuật tới nhằm thoả mãn các yêu cầu tới. Các thông số đó là lu lợng lấy vào đầu dải, thời gian tới, chiều dài dải tới và chiều dài dòng chảy trên dải khi mở nớc tới. Trong thời gian nớc chảy từ đầu dải xuống cuối dải, đồng thời nớc cũng ngấm xuống tầng đất. Khi ngấm đến cuối dải thì nớc trên dải cũng vừa hết. Vì vậy trong tới dải phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: - Trong thời gian tới quy định nớc phải ngấm hết xuống đất. - Độ ẩm ở đầu dải và cuối dải phải xấp xỉ bằng nhau. - Có tốc độ nớc chảy trong dải thích hợp không làm xói lở mặt dải đồng thời phải có trị số thích hợp so với tốc độ ngấm hút của đất để tránh lãng phí nớc. - Độ ẩm trong tầng đất nuôi cây phải đạt độ ẩm thích hợp. - Lợng nớc ngấm trong thời gian tính toán phải bằng lợng nớc yêu cầu trong thời gian đó. Để có thể đảm bảo những yêu cầu trên, ngoài điều kiện về độ dốc phải thoả mãn i = 0,0005 ữ 0,02 chúng ta phải xác định đợc những trị số thích hợp của những yếu tố kỹ thuật trong tới dải nh: Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới 161 1. Chiều dài của dải l; 2. Chiều dài lấy nớc X; 3. Lu lợng lấy vào đầu dải q 0 ; 4. Tốc độ nớc chảy trong dải V; 5. Thời gian lấy nớc vào dải t. Trong thực tế để xác định đợc các trị số thích hợp từ các điều kiện ban đầu nh: Mức tới, điều kiện địa hình, địa chất Chúng ta phải thông qua thí nghiệm hoặc tổng kết tài liệu nhiều năm từ các khu đã thực hiện tới dải. a) Sơ đồ và các giả thiết tính toán Hình 6.4: Sơ đồ tính Cắt mặt cắt theo chiều dài của dải và xét với 1m chiều rộng của dải ta có sơ đồ nh hình 6.4 với các giả thiết: - Dòng chảy trong dải là ổn định; - Lớp nớc mặt ruộng rất nhỏ so với chiều dài dải l. Dựa vào sơ đồ trên, chúng ta sẽ nghiên cứu các yếu tố dòng chảy trên dải để từ đó rút ra các đại lợng cần xác định. b) Tính toán cụ thể Xác định phơng trình đờng mặt nớc trên dải Xét mặt cắt cách đầu dải một đoạn là x nào đấy, tốc độ dòng chảy tại mặt cắt này có thể xác định theo dòng chảy đều: = x1 VCRJ trong đó: C 1 - hệ số tốc độ (hệ số Sêzi); R - bán kính thuỷ lực; J - độ dốc thuỷ lực. Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 162 Trên mặt đất, hệ số C 1 có thể xác định theo công thức của Bazanh: = + 1 87 R C R trong đó : - độ gồ ghề của mặt dải, thay đổi theo mức độ canh tác và loại cây trồng. Theo kinh nghiệm = 1,5 ữ 4,0; R - bán kính thuỷ lực: == + b y R b2 y , vì y << b nên có thể coi R = y Do đó: == + + 1 87 y 87 R C R y Mặt khác do y rất nhỏ so với nên == + 1 87 y 87 y C y Vậy: == x 87 y 87 J V y J y Đặt = 87 J C , và C gọi là hệ số đặc trng cho trạng thái đất tới. Do đó: V x = Cy Lu lợng chảy qua một đơn vị chiều rộng dải tại mặt cắt x sẽ là: q x = V x y = Cy 2 Tính toán tơng tự đối với mặt cắt x + dx ta có: q x + dx = C(y dy) 2 Sự biến thiên lu lợng từ mặt cắt x đến mặt cắt x + dx là: q x + dx q x = Cy 2 2Cydy + C(dy) 2 Cy 2 Do dy nhỏ nên (dy) 2 0. Vậy: q x + dx q x = -2Cydy Lợng nớc thay đổi giữa mặt cắt x và x + dx chính bằng lợng nớc ngấm xuống đất trên đoạn dx: -2Cydy = W ngấm Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới 163 Hai vế của phơng trình có dấu ngợc nhau là vì x và y thay đổi ngợc chiều nhau, khi x tăng thì y giảm. Mặt khác, lợng W ngấm này có thể xác định đợc theo công thức: = 0 ngấm nK Wd t x trong đó: K 0 - tốc độ ngấm hút bình quân của đất trong đơn vị thời gian thứ nhất; t - thời gian, tính từ khi bắt đầu lấy nớc vào dải; - số mũ, phụ thuộc vào tính chất của đất và độ ẩm trong đất; n - hệ số hiệu chỉnh ảnh hởng của nớc ngập trên mặt đất đối với tốc độ ngấm hút của đất, do nớc ngập, một phần cấu tợng của đất bị phá vỡ nên tốc độ ngấm hút có lớn lên một ít n > 1. Do vậy: = 0 nK 2C y d y dx t Tích phân hai vế của phơng trình trên ta có: = + 2 0 nK C y xC' t Khi x = 0 thì y = h C = Ch 2 . Do đó lu lợng tại đầu dải: q 0 = Ch 2 Thay C vào ta đợc: = + 22 0 nK C y xCh t === 2 2 00 2 t Ch nK x nK nK 0 y hxh1 tC tC Cht x Mà Ch 2 = q 0 nên ta có phơng trình đờng mặt nớc trên dải: = 0 0 nK y h1 x q t Chiều dài lấy nớc trên dải Để tiết kiệm nớc ngời ta thờng đóng cống ngừng lấy nớc trớc khi nớc chảy tới cuối dải, tại mặt cắt cách đầu dải một đoạn X, lớp nớc y = 0. Do đó: Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 164 = = 0 0 nK y h1 X 0 qt = 0 0 nK 1X 0 qt = 0 0 q nK Xt Từ đây cũng có thể suy ra lu lợng lấy vào đầu dải và thời gian lấy nớc vào dải (thời gian mở cống lấy nớc vào dải): () == 01 0 nK nK q XX tt1 và: () == 01 00 nK nK tX qq1 X Xác định chiều dài dải l Sau thời điểm t, trên dải còn một lớp nớc, lớp nớc này sẽ chảy tiếp xuống cuối dải để tới thêm cho một đoạn dải nào đó. Bây giờ chúng ta phải xác định chiều dài của dải thích hợp để triệt để lợi dụng vừa hết lợng nớc đó. Gọi lợng nớc còn lại trên dải là hX; - hệ số hình dạng đờng mặt nớc, thờng =ữ 24 35 ; h - chiều sâu lớp nớc đầu dải; X - chiều dài lấy nớc. Một phần lợng nớc đó sẽ ngấm xuống đoạn X và có thể tính bằng: 1 x nK X Wt 2 t = (*) x t - thời gian để nớc tiếp tục chảy hết đoạn X sau khi ngừng lấy nớc vào dải = 1 t K K t - hệ số ngấm hút tại thời điểm t, ở đây coi tốc độ ngấm hút bình quân trong thời gian bằng tốc độ ngấm hút ở thời điểm t nhng trong thực tế sẽ nhỏ hơn một chút. x t x X2X t Ch Ch 2 == với Ch 2 - tốc độ dòng chảy bình quân. Thay vào công thức (*) ta có: Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới 165 2 2 11 10 x 1 0 nK nK nK X q (1 )X XX Wt nK X 2Ch Ch tt Ch q(1 ) === = == 2 Ch (1 )X Wh Ch (1)X Lợng nớc còn lại tiếp tục chảy về cuối để ngấm trên đoạn (l - X) sẽ là: hX (1 )hX = hX( 1 + ) Lợng nớc này phải đảm bảo đủ lợng nớc tới cho đoạn (l - X) theo quy định: (l X)m = hX(( 1 + ) với m là mức tới Nếu = 2 3 thì: = += 21 (l X)m hX 1 hX 33 Chia cả hai vế cho X ta đợc: = l1 1m h X3 =+ lh 1 1 Xm 3 Chiều dài dải: 1 X1 mh 3 =+ l Xác định thời gian lấy nớc vào dải t Thời gian lấy nớc t theo nguyên lý cân bằng nớc bảo đảm lợng nớc tới cho dải có chiều dài l m l = q 0 t 0 m t q = l Mặt khác thời gian lấy nớc t cũng phải bảo đảm sao cho lợng nớc ngấm ở 1 đơn vị diện tích ở đầu dải không vợt quá mức tới m: = 1 1 K mt 1 1.1 = 1 1 1 m(1 ) t K Xác định lu lợng lấy vào đầu dải q 0 - Theo yêu cầu bảo đảm không xói lở ở đầu dải: Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 166 [] = 0 kx q VV h q 0 = [V] kx h [V] kx - tốc độ cho phép không xói trên dải, [V] kx = 0,1ữ 0,2 m/s. - Theo yêu cầu bảo đảm năng suất tới cao, lợng nớc công nhân tới mỗi ca: W = m == Wm q 3600t 3600t , m 3 /s m - mức tới; - diện tích tới; t - số giờ làm việc. Trên đây là cách xác định các yếu tố của kỹ thuật tới dải ( l, X, t, q 0 và V). Dựa theo lý thuyết của kỹ thuật tới dải, vận dụng các công thức: = 0 0 nK y h1 x q t = 0 0 q Xt nK =+ 1 lX1mh 3 = 0 ml t q và = 1 1 1 m(1 ) t K q 0 = [V] kx h và = m q 3600t Kết hợp với các tài liệu thiết kế về mức tới, các hệ số tính toán đã đợc xác định bằng thí nghiệm (, X, n, K 0 ) đặc trng C và trạng thái mặt đất của dải, ta có thể xác định đợc các yếu tố cơ bản của kỹ thuật tới dải. 4. Phơng pháp tính toán tới dải theo dòng không ổn định [35] Ngợc lại, với phơng pháp tính toán tới dải theo dòng không ổn định thì các yếu tố dòng chảy trên dải đều thay đổi theo thời gian nh lu tốc, lu lợng, mực nớc, có nghĩa là q, v, h = f(t). Vì vậy việc diễn toán phức tạp hơn. Phơng pháp này do Giáo s ngời ấn Độ đề xuất. a) Giả thiết tính toán - Quy luật thấm trên dải tuân theo Định luật Horton. - Dòng chảy trên dải không bị ảnh hởng của nớc ngoại lai. [...]... ] 1(n +1) Hệ thức này cũng tính trên máy vi tính nh hệ thức (6. 11) áp dụng số: Xác định x cho 2 trờng hợp - Trờng hợp 1: q = 2880 cm3/phút-cm; d = 2,345 cm; a = 2,7; b = 0,142; t = 26 phút; = 0,49 Kết quả tính đợc x = 66 ,17m - Trờng hợp 2: q = 160 0 cm3/phút-cm; d = 8 cm; a = 0,84; b = 0 ,63 ; t = 54 phút; = 0,55 Kết quả tính đợc x = 65 ,34m (6. 12) 170 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi START Nhập... f(s) thì L1 {f(s)g(s)} = F()G(t )d và L {G(t)} = g(s) 0 G(t ) và F( ) tơng ứng với y(t - ts) và x'(ts) của phơng trình (6. 5) (6. 6) 168 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Thực hiện phép biến đổi Laplace của phơng trình (6. 5) và sử dụng hệ thức (6. 6) ta có: q = d.L {x} + L {x '} L {y} s2 Với điều kiện ban đầu x(0) = 0 phơng trình trên trở thành: q = d.L {x} + sL {x} L {y} s2 q = L{x}[d + sL{y}]... thuộc vào thời gian a) Thiết lập phơng trình cơ bản Phơng trình cơ bản đợc thiết lập trên cơ sở phơng trình cân bằng dòng chảy trên chiều dài đoạn phân tử Hình 6. 11: Sơ đồ tính dx trong thời đoạn dt Phơng trình có dạng: 0, 06Q 0 dt = q t dt + dx Q0 - lu lợng tháo vào đầu rãnh (l/s); qt - lu lợng thấm trong rãnh (m3/phút); 0, 06 - hệ số đổi đơn vị từ l/s ra m3/phút; (6. 19) 178 Quy hoạch và thiết kế hệ thống. .. các máy tới hoạt động + Hệ thống phun ma bán di động (nửa cố định) ở hệ thống này trạm bơm và đờng ống chính đợc đặt cố định ngầm dới đất Đờng ống nhánh, đờng ống tới và các vòi phun tháo lắp, vận chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Hệ thống phun ma nửa cố định đợc phổ biến và áp dụng rộng rãi 188 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Ưu điểm của hệ thống này so với hệ thống di động là năng suất... và bảo vệ mạng lới đờng ống chống sự cố, mất mát Kỹ thuật tới phun ma Hệ thống bán di động Hệ thống di động Các máy phun đơn chiếc tự động khi tới Hệ thống đờng ống và vòi phun di động Các máy phun đơn chiếc làm việc kiểu nửa di động Hệ thống đờng ống và vòi phun cố định Hệ thống cố định Hệ thống cố định không tự động Hệ thống cố định tự động điều khiển Hình 6. 16: Sơ đồ phân loại hệ thống phun ma 6. 4.3... x(i) STOP Hình 6. 6: Sơ đồ khối tính chiều dài dải tới (hệ thức 6. 11) 171 Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới Bảng 6. 1 - Kết quả thí nghiệm về quan hệ các yếu tố tới dải Độ dốc của dải K1 0,002 ữ 0,005 0,005 ữ 0,010 0,010 ữ 0,020 l (m) Q (l/s) l (m) Q (l/s) l (m) Q (l/s) 40 ữ 60 7 ữ 6 60 ữ 70 6 5 60 ữ 90 5ữ4 70 ữ 60 4ữ3 Thịt pha cát hoặc thịt pha sét nhẹ 10 ữ 15 50 ữ 70 7 ữ 6 60 ữ 80 6 5 80 ữ 100... mặt là 10% ữ 15%, còn tới phun không đáng kể 1 86 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 2 Những nhợc điểm của tới phun - Giá thành đầu t và khai thác hệ thống tới phun ma tơng đối cao so với tới mặt vì cần nhiều các thiết bị kim loại và năng lợng (điện, dầu) trong khi vận hành - Kỹ thuật tới hơi phức tạp đòi hỏi phải có trình độ nhất định để sử dụng - Chất lợng tới phun ma (sự phân bố không đều hạt... STOP Hình 6. 12: Sơ đồ khối tính chiều dài rãnh tới (hệ thức 6. 35) 182 Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi Bảng 6. 2 - Kết quả thí nghiệm về quan hệ các yếu tố tới rãnh Độ dốc của rãnh Loại đất K1 (cm/h) < 0,002 l (m) Đất cát hoặc thịt pha sét nhẹ Q (l/s) 0,002 ữ 0,005 l (m) Q (l/s) 0,005 ữ 0,010 0,010 ữ 0,015 l (m) l (m) Q (l/s) Q (l/s) 30 ữ 40 1,0 ữ 1,2 40 ữ 60 0,8 ữ 1,0 50 ữ 80 0,7 ữ 1,0 60 ữ 50... thống thủy lợi - diện tích mặt cắt ớt bình quân theo chiều dài dòng chảy trong rãnh (m2); qt đợc tính theo: K1 dx t qt = (6. 20) - chu vi ớt bình quân dọc theo chiều dài dòng chảy (m) Thay hệ thức (6. 20) vào (6. 19) và đặt a = 0, 06Q 0 K , b = 1 , với R = thì phơng R trình (6. 10) sẽ thành: dx b + x=a dt t (6. 21) Phơng trình (6. 21) đó là phơng trình vi phân dạng có thể giải bằng giải tích Phơng trình. .. và K 0 = K1 1 h - độ sâu lớp nớc trung bình trong rãnh 0 = b + 2 h 1 + 2 với = 1,5 ữ 2,5 ( hoặc: ma = bh + 0 K t t và thời gian tới t: t= ) ma bh 0 K t (6. 15) (6. 16) - Quan hệ giữa chiều dài với độ dốc và mực nớc trong rãnh: l= h 2 h1 i h1, h2 - độ sâu đầu và cuối rãnh khi ngừng lấy nớc (6. 17) 177 Chơng 6 - Phơng pháp tới và công nghệ tới Để đất ngấm đồng đều thì h2 h1 không nên vợt quá 0,06 . )d = (6. 6) )t(G và tơng ứng với y(t - tF( ) s ) và x'(t s ) của phơng trình (6. 5). Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 168 Thực hiện phép biến đổi Laplace của phơng trình (6. 5) và. 0,49. Kết quả tính đợc x = 66 ,17m. - Trờng hợp 2: q = 160 0 cm 3 /phút-cm; a = 0,84; d = 8 cm; b = 0 ,63 ; t = 54 phút; = 0,55. Kết quả tính đợc x = 65 ,34m. Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy. = x1 VCRJ trong đó: C 1 - hệ số tốc độ (hệ số Sêzi); R - bán kính thuỷ lực; J - độ dốc thuỷ lực. Quy hoạch và thiết kế hệ thống thủy lợi 162 Trên mặt đất, hệ số C 1 có thể xác định theo công